CN107191258B - 一种紧凑式宽弦高压头小流量电机用轴流冷却风扇 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种紧凑式宽弦高压头小流量电机用轴流冷却风扇，包括叶片、轮毂和机匣；轮毂为非等径轮毂，小径端和外部发电机主轴固连，且轮毂大径端和小径端之间采用曲线平滑过渡；叶片为宽弦大转折角叶片；机匣为空腔柱状体，内壁二级阶梯状，叶片周向旋转所形成的平面位于大径端的空腔内；叶片正对外部发电机发热区域，气流通过旋转叶片进入发热区域，从而为发电机散热。本发明采用扩张型子午流道，提高了风扇对气流的做功能力；叶片采用弯扭正交设计方法，采用宽弦、大折转角、大稠度设计手段能够有效抵御风扇流道内较大的逆压梯度，避免叶片表面附面层分离，提高风扇的冷却效果。台阶型机匣提高风扇的散热效率，节省了加工成本。

Description

一种紧凑式宽弦高压头小流量电机用轴流冷却风扇
技术领域
本发明涉及一种用于高功率密度电机冷却的小流量高压头轴流风扇，安装于发电机主轴上，对发电机发热部件进行散热冷却，特别适用于航空领域等高功率空间紧凑发电机。
背景技术
发电机转子的动能转化成磁场储能增量、热损耗和电能。产热根源有4个方面，基本铜损是指绕组线圈的电阻产热；铁损指交变磁场的磁能损耗；机械摩擦，比如轴承产热；内置的整流二极管产热。电机内部气流流道狭小，如果对电机实施冷却不足，电机的热量积聚，温度升高，导致某些重要的电子元器件部件，如整流二极管烧毁，还会加速定子线圈绕组的漆包线的绝缘层老化，降低电机的使用寿命甚至烧毁电机。特别对于航空高功率密度的电机受紧凑的空间和重量的限制，内部流通面积小，气流阻力大，通流能力弱，此类电机要求冷却风扇具有高风压和小流量特点。传统轴流风扇设计是以提供大风量低风压为设计目的。大流量低风压难以匹配高功率密度电机的阻力特性。所以，现有电机的冷却风扇设计已满足不了此种场合的要求。传统低风压要求的风扇负荷不会很大，通常不配置机匣或者配置简易机匣。对于简易机匣，为了控制加工成本，叶片与机匣间的间隙通常较大，当风扇的风压较高时，旋转叶片吸、压力面压差很大，产生严重的泄漏损失，泄漏涡降低风扇效率，减小风扇稳定裕度和压升能力。
发明内容
本发明解决的技术问题是：本发明的目的在于提供一种小流量，高风压的轴流冷却风扇，用于高功率密度且空间紧凑的发电机散热，位于小半径处，即近轮毂处/近发电机转轴处整流二极管散热是特别需要考虑的冷却对象。在保证足够风压的同时，匹配电机所需冷却流量，充分冷却发电机的发热元件。同时，风扇配合机匣采用台阶式机匣处理方式，有效减小叶尖泄漏流动，提高风扇的效率，同时控制加工成本。
本发明的技术方案是：一种紧凑式宽弦高压头小流量电机用轴流冷却风扇，包括叶片、轮毂和机匣；其特征在于，所述轮毂为非等径轮毂，小径端和外部发电机主轴固连，且轮毂大径端和小径端之间采用曲线平滑过渡；叶片为宽弦大转折角叶片；机匣为空腔柱状体，内壁二级阶梯状，机匣内壁与叶片不接触，叶片周向旋转所形成的平面位于大径端的空腔内；叶片正对外部发电机发热区域，气流通过旋转叶片进入发热区域，从而为发电机散热。
本发明的进一步技术方案是：所述轮毂大径端和小径端之间采用Bezier曲线平滑过渡，使得轮毂内部形成扩张型子午流道，引导气流流向发电机的发热区域。
本发明的进一步技术方案是：所述轮毂大径端和小径端外壁切线斜率为0。
本发明的进一步技术方案是：所述宽弦大转折角叶片的扭转规律根据叶片载荷沿叶高逐渐增加原则，通过S2通流反问题计算方法，最终计算出不同叶高处基元级速度三角形。
本发明的进一步技术方案是：所述机匣内壁二级阶梯处的台阶与叶片前缘距离2mm，大径端内壁距离叶顶距离为1-1.5mm。
发明效果
本发明的技术效果在于：采用扩张型子午流道，通过增加进口轮毂半径减小进口通流面积，减小设计点流量，同时保证气流轴向速度在合适范围内，从而提高风扇对气流的做功能力；另一方面，出口轮毂采用收缩形式一方面继续减速增压，减小流动损失同时引导气流冷却电机关键部件(整流二极管)；在叶片设计方面，采用弯扭正交设计方法，采用宽弦、大折转角、大稠度设计手段能够有效抵御风扇流道内较大的逆压梯度，避免叶片表面附面层分离，提高风扇的冷却效果。为了减小风扇转子叶片前缘处叶尖泄漏流动，采用台阶型机匣处理方式，提高风扇的散热效率，同时节省了加工成本。
附图说明
图1为宽弦大转折角叶片三视图，其中(a)为正视图，(b)为右视图，(c)为俯视图。
图2为轴流冷却风扇转子部件示意图。(a)为左剖视图，(b)为正视图，(c)为俯视图；图中：
图3为台阶型机匣安装位置示意图。
图4为冷却风扇整体与发电机安装情况示意图。图中箭头指示气流流向。
图5为轴向进气条件下，只改变轴向速度大小，叶轮周向线速度及轮缘功大小不变时的速度三角形示意图。(a)为轴向速度适中，(b)为轴向速度过小。
图6为传统光滑壁机匣与台阶型机匣叶顶间隙处泄漏涡范围对比。(a)为台阶型处理机匣，(b)为光滑壁面机匣。
附图标记说明：1—宽弦长叶片；2—非等径轮毂；3—台阶型机匣；4—发电机的发热区域；5—紧定螺母；6—轴承；7—发电机主轴
具体实施方式
1、参见图1-图6，
1、内收缩锥形轮毂型线设计。公开的发电机用冷却轴流风扇均采用等外径和等内经设计。本发明针对小半径处整流二极管散热需求，采用内收缩锥形轮毂型线设计，通过增加进口处轮毂半径，在保证轴向速度在合适范围，以确保风扇基元级速度三角形中相对进气角低于75度(相对速度与轴线夹角)的同时，达到减小流量提高做功能力的目的，同时通过减小出口处轮毂半径使其与发电机冷却区轮毂半径一致，形成扩张型子午流道，正常情况下风扇轮毂采用等径设计，压比高一点的采用收缩型子午流道设计，即轮毂型线进口半径小出口半径达。本发明为保证进口轴向速度以及出口处与发电机轮毂完美连接，采用扩张型子午流道设计，即轮毂进口半径大出口半径小，型线采用Bezier曲线平滑过渡，利于对发电机内部整个截面部件的散热冷却；为了电机安装方便，机匣仍采用等外径设计。
2.宽弦大稠度高负荷叶片设计。航空用电机高功率密度、高效率需求使得电机多采用紧凑式电磁设计，风冷流道狭小，阻力损失极大，对风扇负荷水平要求很高。尤其在叶根区域，较低的叶根线速度使得叶根处做功能力较弱，较难提供足够高的风压，若不对叶根处做精心设计，容易造成风压过小，气流难以通过流道，叶背出现角区分离，甚至出现回流现象。本发明所设计的风扇叶片采用弯扭正交设计方法，采用宽弦、大折转角、大稠度设计手段，能够有效抵御风扇流道内较大的逆压梯度，避免叶片表面附面层分离，提高风扇的冷却效果。
3.台阶型机匣设计。叶顶间隙泄漏涡会大幅降低风扇的压升与效率，且随着风扇风压的逐渐提高，叶尖泄漏涡逐渐从叶片尾缘向前缘移动，其泄漏量也逐渐增加，风扇流动稳定性降低，压升和效率均急剧下降，而过小的叶顶间隙设计造成加工和装配成本过高。为有效抑制叶尖泄漏流动，本发明在机匣内壁设计了台阶，且台阶厚度为叶顶尖隙尺寸的1-1.5倍，通过分析和实验证明，此方法可以抑制叶片前缘处的叶尖泄漏流的形成，从而达到降低叶尖泄漏并提高效率的目的。
本发明的宽弦大转折角叶片基于S2通流设计方法生成(如图1所示)，叶片展弦比0.94，叶根处转折角达60度，叶片材料是7075铝。本发明中散热风扇包括宽弦叶片1和非等径轮毂2，且风扇叶片与轮毂一体，通过数控机床加工而成，风扇进口处轮毂半径较出口处大40％-50％(如图2所示)。冷却风扇台阶型机匣2的安装如图3所示，台阶型机匣2固定在发电机外壳上，台阶与风扇前缘距离为2mm，台阶高度取值为叶尖与机匣间叶顶间隙尺寸的1-1.5倍。冷却风扇的安装和工作原理如图4所示，风扇转子通过轴端紧定螺母5安装在发电机的主轴7上，非等径轮毂2型线与机匣型线组成扩张型子午流道，引导气流至发电机的发热区域4。非等径轮毂型线采用Bezier曲线设计，轮毂的出口与发电机的轮毂平齐，其中进、出口端点处切线斜率均为0。Bezier曲线具有表达简单，且高次曲线不容易出现“龙格现象”的优势。
图5为速度三角形示意图，显示了气流轴向速度大小c1与风扇叶片安装角(β1+β2)/2及出口绝对气流角α2的关系，较小的气流轴向速度不仅会导致叶片安装角较大，还会造成气流经过叶片折转加功后，出口绝对速度与轴向夹角α2过大，使气流在流道中以螺旋线型绕圈流动，这意味着气流与轮毂、机匣等端壁的摩擦距离变长，减小了风扇的风压和效率。图5说明了提高进口轴向速度的重要性，通过速度三角形分析，提高进口轴向速度有必要，所以在发电机轮毂、机匣定死不能改变的情况下，采用扩张型子午流道设计，既提高了进口轴向速度，又充分吹到了发电机所有区域。
图6给出了传统光滑壁机匣与台阶型机匣叶顶间隙处泄漏涡范围对比，对于传统光滑壁机匣来说，叶尖泄漏流动遍及叶片前缘至尾缘的整个区域，台阶的存在能够抑制叶片前缘处泄漏涡的生成，从而减小泄漏量。

Claims (4)

1.一种紧凑式宽弦高压头小流量电机用轴流冷却风扇，包括叶片、轮毂和机匣；其特征在于，所述轮毂为非等径轮毂，小径端和外部发电机主轴固连，且轮毂大径端和小径端之间采用曲线平滑过渡；且轮毂大径端和小径端外壁切线斜率为0；叶片为宽弦大转折角叶片；机匣为空腔柱状体，内壁二级阶梯状，机匣内壁与叶片不接触，叶片周向旋转所形成的平面位于大径端的空腔内；叶片正对外部发电机发热区域，气流通过旋转叶片进入发热区域，从而为发电机散热。
2.如权利要求1所述的一种紧凑式宽弦高压头小流量电机用轴流冷却风扇，其特征在于，所述轮毂大径端和小径端之间采用Bezier曲线平滑过渡，使得轮毂内部形成扩张型子午流道，引导气流流向发电机的发热区域。
3.如权利要求1所述的一种紧凑式宽弦高压头小流量电机用轴流冷却风扇，其特征在于，所述宽弦大转折角叶片的扭转规律根据叶片载荷沿叶高逐渐增加原则，通过S2通流反问题计算方法，最终计算出不同叶高处基元级速度三角形。
4.如权利要求1所述的一种紧凑式宽弦高压头小流量电机用轴流冷却风扇，所述机匣内壁二级阶梯处的台阶与叶片前缘距离2mm，大径端内壁距离叶顶距离为1mm。
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